“光儲直柔”建筑電氣設計探究*

莫理莉， 陳志忠， 王 靜， 商曉峰

(1. 華南理工大學建筑設計研究院有限公司，廣州 510640； 2. 廣州市設計院集團有限公司，廣州 510000； 3. 深圳市建筑設計研究總院有限公司，深圳 518031；4. 中國電子系統工程第二建設有限公司，無錫 214000)

0 引言

國務院于2021 年10 月26 日發布《2030 年前碳達峰行動方案》，方案在“城鄉建設碳達峰行動”中提到:加快優化建筑用能結構，深化可再生能源建筑應用，推廣光伏發電與建筑一體化(BIPV)應用……提高建筑終端電氣化水平，建設集光伏發電、儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光儲直柔”建筑。 到2025 年，城鎮建筑可再生能源替代率達到8%，新建公共機構建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%[1]。

目前，深圳市建科院[2-3]、南京國臣[4]和華南理工大學建筑設計研究院[5]等單位對“光儲直柔”建筑系統設計開展了研究，但總體看，我國“光儲直柔”建筑建設仍處于摸索階段，“光儲直柔”建筑建成案例較少，可供參考的“光儲直柔”建筑電氣設計方案不多，本文擬對“光儲直柔”建筑電氣設計做探究，提供某“光儲直柔”建筑為設計案例，希望同行在進行類似“光儲直柔”建筑電氣設計項目時起到參考借鑒作用。

1 “光儲直柔”建筑電氣系統的基本概念

“光儲直柔”這一概念最早是由江億院士提出，“光”即建筑光伏，“儲”是建筑內儲能及利用鄰近停車場電動汽車的電池資源，“直”指建筑內部采用直流供電，“柔”則是“光儲直柔”的目的，即實現柔性用電，使其成為電網的柔性負載或虛擬靈活電源；“光儲直柔”建筑電氣系統的最終目標是使建筑用電系統由目前的剛性負載變為柔性負載，可以根據電力系統的供需關系隨時調整用電功率，而不決定于當時系統內各用電設備的用電功率[6]。

典型的“光儲直柔”建筑電氣系統接線如圖1所示，接線圖展示了外部交流電源、光伏、儲能、充電樁及用電設備通過直流配電網組成有機物理整體的邏輯拓撲關系。

圖1 典型“光儲直柔”建筑電氣系統接線圖

2 “光儲直柔”建筑電氣系統的設計原理

“光儲直柔”建筑電氣系統設計原理如圖2 所示，設計主要分為以下四部分內容。

圖2 “光儲直柔”建筑電氣系統設計原理圖

(1)光伏發電系統設計。 首先是結合建筑外形效果要求確定建筑光伏發電板的形式，確定光伏發電系統的裝機容量。 然后做光伏發電量消納分析，確定光伏系統接入方案。

(2)儲能系統設計。 儲能系統包括分布式儲能裝置和通過充電樁接入的電動汽車。

(3)低壓直流配電系統設計。 對用電負荷特性分析，確定用電設備的接入方式，根據接入系統的光伏、儲能和用電設備綜合確定系統內部電壓等級及系統接線形式。 設計原則是盡量減少變換次數，實現系統的高效、經濟型、可靠和安全運行。

(4)“光儲直柔”建筑系統柔性控制平臺設計。系統控制平臺主要實現以下功能:預測光伏發電量，預測建筑負荷用電量，制定儲能及充電樁(電動汽車)充放電策略，確保直流微網內部電壓穩定并給出系統負荷柔性調節裕度，接受電網需求側響應。

下文結合案例說明“光儲直柔”建筑電氣系統的具體設計方法。

3 “光儲直柔”建筑電氣系統設計要點

結合案例說明“光儲直柔”建筑電氣系統設計要點，案例是一棟辦公樓，位于廣東惠州市，建筑總面積5 000 m2，共5 層，每層面積約1 000m2，建筑坐北朝南，面寬50m，進深20m，建筑高度20m。 一至五層均是辦公室。 采用多聯機空調系統，室外機在屋頂安裝，占地面積約100 m2，立面為幕墻結構。

3.1 光伏發電系統設計

3.1.1 光伏組件的確定

光伏技術不斷更新發展，光伏電池材料的種類也越來越多，大致可按其材料結構分為以下三類:(1)硅基光伏電池，如單晶硅、多晶硅光伏電池等。(2)薄膜光伏電池，如砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒薄膜光伏電池等。 (3)具有理論高轉化效率和低成本優勢的新概念電池，主要有新型光伏電池，如染料敏化光伏電池、鈣鈦礦光伏電池、有機太陽電池以及量子點太陽電池等[7]。 不同類型光伏電池的性能如表1 所示。

表1 主要光伏電池的性能對比

目前，單晶硅以及多晶硅電池因具較高性價比仍然占據市場主體地位，在屋頂、室外雨棚等場所一般考慮采用這種材料；薄膜光伏電池可以與光伏幕墻結合，在立面展示效果好，在建筑光伏一體化設計中，常采用不同材料的薄膜電池配合達到更好的立面效果；新型光伏電池由于有較高的理論轉化效率和較低的制備成本在建筑光伏市場的發展潛力也很大。 需要注意，薄膜電池在立面安裝中，需要配合建筑立面效果和透光率要求來確定實際薄膜電池的轉換率，透光率越高，其單位面積轉化效率越低。

在本案例中，結合建筑效果，可考慮在屋頂采用單晶硅光伏組件，在南立面安裝碲化鎘薄膜電池光伏玻璃。

3.1.2 光伏發電組件安裝規模的確定

2022 年4 月1 日實施的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB 55015-2021 中要求新建建筑應設太陽能系統，但除國務院發布的《2030 年前碳達峰行動方案》外，尚無其他政府文件或國家地方標準對太陽能系統的形式和安裝規模做明確要求。

在地方政策文件和相關標準未明確之前，本案例考慮在屋頂和南面室外停車雨棚安裝單晶硅光伏發電組件，光伏組件采用支架固定安裝方式。 同時，考慮光伏發電與建筑一體化應用，在南立面設置光伏玻璃。

根據《太陽能資源等級總輻射》GB/T 31155-2014，案例所在地太陽能資源等級屬“豐富”；代表年太陽總輻射量為1 389.9kWh/m2。 光伏陣列的安裝傾角對光伏發電系統的效率影響較大，對于固定式并網光伏發電系統，傾角宜使光伏方陣傾斜面上受到的全年輻射量最大。

電池組件傾斜面上的總輻射量為傾斜面上的直接輻射量、散射輻射量以及地面反射輻射量之和。 根據《光伏發電站設計規范》GB 50797-2012，利用PVsyst 軟件得表2 所示輻射量損失對比表，可得最佳傾角為21°，因屋面建筑面積有限，若按最佳傾角考慮，占地面積較大，為節省用地面積、增加安裝容量，另外考慮本案例建筑處于沿海邊緣且建筑高度較高，為了保證項目的安全及項目容量，經過分析本案例屋頂采取5°組件傾角進行安裝，南面室外停車區雨棚采用21°組件傾角進行安裝。

表2 輻射量損失對比

幕墻部分依托于建筑墻面，作為幕墻玻璃鑲嵌于墻體，整體按90°傾角考慮。 項目用于發電的幕墻為正南朝向，使用PVsyst 進行分析計算，以場址推算光資源數據為基礎，按方位角正南考慮時，本工程幕墻輻射量為841.5kWh/m2，對比水平面輻射量損失嚴重。

案例選用的是雙面單晶硅光伏組件和碲化鎘光伏玻璃，其規格參數詳表3～4，其排布圖如圖3～5所示，單晶硅光伏組件和碲化鎘光伏玻璃的組串數量分別為20 塊和16 塊，共安裝單晶硅光伏組件441 塊，裝機容量為238kWp，安裝碲化鎘光伏玻璃光伏組件1 353 塊，裝機容量為142kWp，項目光伏發電總裝機容量為380kWp。

圖3 室外光伏發電雨棚及首層配電干線平面圖

表3 單晶硅光伏組件技術規格

表4 碲化鎘光伏玻璃技術規格

3.1.3 光伏發電系統發電量分析

光伏發電負荷曲線如圖6 所示，按照類似正態分布曲線考慮，在中午12 時達到高峰。

圖6 日光伏發電分時曲線示意圖

本案例光伏發電量估算如表5 所示。

表5 案例光伏發電量估算

圖4 屋頂光伏發電及配電干線平面圖

圖5 南立面光伏玻璃排布圖

3.1.4 光伏發電系統的形式選擇

“光儲直柔”建筑光伏發電系統一般采用并網光伏發電系統，為避免光伏發電大規模接入電網導致電網穩定性難以確保的情況，推薦采用“自發自用、余電并網”的自消納并網模式，盡量減少新能源發電對電網的沖擊，太陽能電池所發電量優先給內部負載，負載用不完的多余電量送入電網，當光伏發電電量不足以供給負載時，由電網和光伏發電系統同時給負載供電。 所以在確定光伏接入點的時候，需要根據建筑配電系統的特點，根據用電負荷特點和光伏發電進行自消納分析。

本案例也是采用“自發自用、余電上網”的自消納并網模式。

3.2 儲能系統設計

3.2.1 儲能電池的種類選擇

在查閱主流儲能廠家提供的技術參數基礎上，總結各類儲能電池性能對比情況(表6)，根據不同儲能應用需求，儲能電池可分為功率型電池和能量型電池。 功率型電池是以小于或等于1 小時率(1P)額定功率工作的電池，適用于短時快充快放(如實現需求側快速響應的場合)，主要以鈦酸鋰電池(LTO)為代表。 能量型電池是以大于1 小時率(1P)額定功率工作的電池，主要以磷酸鐵鋰電池(LFP)為代表，磷酸鐵鋰原材料儲量豐富，因此成本較低，同時也具有良好的安全和循環性能，廣泛應用于能量型儲能。

表6 各類儲能電池對比

“光儲直柔”建筑在沒有實現需求側快速響應的要求時，一般可選用能量型電池。

3.2.2 儲能容量的選擇

儲能容量選擇首先是用于維持“光儲直柔”建筑電氣系統的穩定運行；另一方面是提高“光儲直柔”建筑的經濟性，如結合電價政策，通過電能時間“平移”實現“削峰填谷”或參與電網需求側響應來降低用能成本；也可兼作重要負荷的備用電源。

“光儲直柔”建筑電氣系統一般都是引接市電，現階段電能仍以火電為主，電網穩定性較高，在不單獨配置儲能的情況下，“光儲直柔”建筑直流微網內部穩定性可通過電網市電來維持。 但“雙碳”戰略下，我國電力系統也在朝著高比例新能源為主體的新型電力系統發展，隨著新能源的安裝入網，電力系統也會呈現風光發電系統隨機性大、慣性差的特性，需要設置儲能裝置來匹配。根據國務院發布的《2030 年前碳達峰行動方案》“到2025 年，新型儲能裝機容量達到3000 萬千瓦以上”，這部分儲能，除了在電網側集中安裝，也可能會根據各地政策要求逐步在用戶側安裝。 所以新建建筑配電系統需要考慮預留儲能的接口和儲能的安裝空間。

3.2.3 儲能系統的安裝方式

由于儲能消防安全仍是需要關注的重點和難點，一般儲能都考慮在室外安裝，如采用圖7 所示的集裝箱安裝方式。

圖7 集裝箱式儲能裝置示意

3.2.4 充電樁設置

在新能源主要體現為電能前提下，電動汽車將是汽車行業低碳化的重要方式。

汽車充電樁也是一種靈活的儲能裝置，所以汽車充電樁的未來發展方向會是雙向的，即:用電低谷期往汽車動力電池里充電，在用電高峰期利用汽車儲能電池反向向電網供電，實現電網的輔助調峰調頻。 為了實現充電樁對電網的主動調節性，充電樁須配置智能控制系統。當前各地均已出臺充電樁建設要求，項目開始前需了解當地政策，確定快慢充比例。

本案例儲能擬按光伏裝機容量的30%安裝，擬在室外配置120kWh 磷酸鐵鋰電池，在室外采用集裝箱安裝方式，在室外設置5 個30kW 非車載充電機。

3.3 低壓直流配電系統設計

3.3.1 用電負荷分析

本案例主要負荷類型為多聯機空調、照明、插座、充電樁、電梯、智能化用電、應急照明用電等，全部為三級負荷。 用電設備總裝機容量為710kW，參照文獻[8]的辦公能耗數據，案例年用電量和典型工況用電量預估值詳見表7。

表7 案例用電量估算

3.3.2 自消納分析

對比表5 和表7 可以看出，案例年發電量估算為358 200kWh，案例年用電量估算為387 366 kWh，從年時間尺度和日時間尺度看，案例能夠內部消納完案例的光伏組件發電量，所以本案例所有用電設備整體納入光儲直柔配電系統供電范圍。

但是，從分時典型工況可以看出，案例發電量和用電量存在不匹配情況。 如工作日中午12 時為發電高峰期，此時案例用電設備無法消納完所發電量，需要在充電樁和儲能中存儲用不完的所發電量，而15 時是用電高峰期，此時所發電量不能滿足案例用電需求，考慮到這個時刻一般屬于市電尖峰電價時刻，優先使用儲能裝置和雙向充電樁電動汽車儲存電量；若儲能和充電樁不能平衡發用電情況，經過內部負荷調節后案例可以通過與電網互動取得不足或多余電量；案例的儲能容量和充電樁容量配置，基本可以實現在用電高峰期(12 ∶00-15 ∶00)不需要電網供能，但休息日用電量小，案例的儲能容量和充電樁容量配置無法實現對光伏發電系統所發電量的全部存儲，使得有較多的發電余量需要反送電網。

因此，雖然看起來項目的年發用電量差值只有29 166kWh，差異不大，但由于發電和用電高峰期不一致，所以案例“光儲直柔”建筑電氣系統與電網的電能雙向流動還是很大的，實際與電網交互的電量遠不止29 166 kWh，尤其是休息日光伏發電系統大量反送余電至電網，將會給電網的電力調度和電能消納帶來較大的壓力。

3.3.3 接線設計

結合光伏組件安裝和儲能安裝情況，案例接線圖設計如圖8 所示。 光伏發電系統、儲能、市電、屋頂多聯機、辦公干線均采用直流750V 供電電壓，電梯、智能化用電、公共照明、應急照明、開水器、打印機和樓層辦公用電水平干線等采用直流375V 供電電壓，末端辦公用房采用48V 特低安全電壓供電。系統采用兩線制系統，考慮目前變換器短路故障耐受度差，系統采用可變接地形式的方式，系統正常工作時采用IT 系統配合絕緣監測的方式，在系統一點接地后，轉化為負極接地的TN 系統后采用直流剩余電流保護裝置通過斷路器來自動切斷電源。

圖8 案例建筑電氣系統接線圖

案例中，接入直流750V 配電系統的設備均通過隔離型變換器接入，變換器采用模塊化設計。 直流750V 配電系統斷路器采用額定電壓為1 000V 的直流斷路器，直流375V 配電系統斷路器額定電壓為250V 的直流斷路器，斷路器極數均為4 極，接線方式采用圖9 所示的四極兩兩串聯方式接線，脫扣器采用熱磁式或專用直流電子式脫扣器。

圖9 直流斷路器接線圖

末端辦公室設置末端控制保護單元，內部設置直流48V 安全特低電壓配電系統，除開水器及打印機外其余辦公室用電均列入安全特低電壓供電范圍，提高末端人員用電安全性。 開水器及打印機等無法接入到直流48V 系統的較大功率設備直接接入直流375V 系統的插座回路，這些插座回路均設置額定剩余動作電流不超過80mA 的直流專用型剩余電流動作保護器。 案例中計量儀表均采用直流專用型。

3.4 “光儲直柔”建筑電氣系統柔性控制平臺設計

3.4.1 系統結構及功能

系統平臺框架如圖10 所示。

圖10 “光儲直柔”建筑電氣系統柔性控制平臺系統框架圖

(1)系統基于云邊端架構，采用物聯網、云邊端協同、大數據、AI 智能分析技術，可接受絕緣監測系統、電氣火災系統等信號，對設備進行狀態讀取、電能調配及運行管理；(2)支持變換器等“源網荷儲”設備對接，實現能源設備的即插即用；(3)系統支持與光伏發電、儲能、充電樁、智慧配電、多聯機等子系統對接；(4)支持對系統設備進行設備狀態評估和健康管理、系統故障預測與診斷、應急響應、業務管理、資產管理等。

通過提供智慧園區系統和電網需求側響應接口，系統可以與智慧園區實現聯動，實現園區各類終端統一運維和運營管理。

3.4.2 “光儲直柔”建筑電氣系統運行模式

(1)并網運行模式

并網時，電能路由器AC/DC 端口與交流電網連接，DC/AC 采用PQ 恒功率控制方式運行，儲能端口穩定直流母線電壓，供電優先順序為光伏→儲能→市電。 當負載實際總功率大于光伏和儲能實際輸出總功率時，必須從市電取電確保系統穩定運行；若不再從市電取電，則需要關停部分負載，使光伏和儲能輸出總功率大于負載輸入總功率。

(2)離網運行模式

離網時，電能路由器AC/DC 端口與交流電網斷開，能自動調節源與荷之間的功率平衡，保證系統穩定運行，DC/AC 與電網無能量交換，儲能端口穩定直流母線電壓。 僅在市電停電故障時運行此模式，供電優先順序為光伏→儲能，且不向市電反向供電。

4 結論與展望

本文以某辦公樓為案例說明了“光儲直柔”建筑電氣系統設計原理，對光伏發電系統、儲能系統、低壓直流配電系統及“光儲直柔”建筑電氣系統柔性控制平臺架構進行了探究，對案例的光伏組件安裝方案、光伏發電系統自消納分析、儲能選擇、低壓直流系統接線方式、控制系統框架等提出了解決方案，為后來設計者提供了有效的設計參考。

低壓直流系統產品如變換器、RCD、電氣火災監控系統等仍在研發階段，距離市場化還有差距，期待能有越來越多的設備研發企業提供“光儲直柔”建筑系統解決方案。